临近空间高超声速飞行器再入过程中将不可避免地遇到气体解离、电离等高温气体效应，引发热防护系统表面催化、氧化等复杂的物理化学作用，进而产生热安全问题，给飞行器防热设计带来极大挑战。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟大多基于理想粘性壁面边界条件，如表面完全催化、完全非催化、给定系数的部分催化等，未考虑实际气固相间复杂的催化复合反应机制。而基于有限速率表面化学反应的唯象模型，仍存在表面反应动力学模型参数难以量化、过度依赖实验数据等问题，导致应用过程中产生较大的不确定性，给气动热环境的精准预测带来困难。因此在微观尺度上对固体表面发生的复杂物理化学过程进行模拟，为飞行器热防护系统的设计、优化和性能评估提供理论模型和基础参数，具有十分重要的理论意义。 本论文采用基于硬球-拟颗粒(HS-PPM)的多尺度耦合模型，对高温气体效应下飞行器表面复杂气固作用过程进行模拟，研究了来流气体温度、边界层内气相温度梯度以及壁面温度等因素对表面温度分布、表面覆盖率、各微观过程反应速率和热流密度等参数的影响，主要取得了以下研究结果： 1）基于HS-PPM耦合方法建立了多尺度模型，能够对高温气体效应下气固表面发生的扩散、吸附/脱附、复合反应、传热等复杂物理化学过程进行模拟。采用该模型模拟了氧气、氮气在多种金属及SiO2固体表面的催化反应过程，获得了不同表面温度下氧/氮原子的复合系数，发现在较低温度下Eley-Rideal (E-R)反应的贡献占主导，随温度升高，Langmuir-Hinshelwood (L-H)反应的贡献迅速增加。所得结果与相应的实验数据、模拟结果都吻合较好，验证了模型的有效性和准确性，为高超声速环境下热防护材料的表面催化特性研究及飞行器气动热环境的精准预测提供了一种新的研究方法。 2）在等温边界条件下，对影响SiO2催化反应过程的因素进行了模拟和分析。结果表明固体表面温度对气固作用过程的影响最大，温度在1500 K以下时E-R反应机制占主导，温度超过1500 K后，L-H反应开始发生，随着温度的增加，表面覆盖率迅速下降，表面催化反应热则迅速增大。来流气相组分对表面催化反应过程也有较大影响。此外，来流温度越高、气相温度梯度越大，则壁面上气固相之间碰撞但不反应过程向壁面释放的热流密度越大。 3）对高温气体效应下催化反应导致的固体表面温度变化过程进行了模拟。结果表明体系达到稳态后，固体表面温度与来流气体温度成正比，而与初始壁面温度及边界层内气相温度梯度无关，但温度梯度会影响固体表面的温升速率。研究结果可以为高超声速飞行器表面热防护系统的优化设计提供参考。